[發明專利]一種應用于大氣觀測移動平臺的太陽直射輻射測量系統

在審

• 申請號: 201810625595.8
• 申請日: 2018-06-18
• 公開（公告）號: CN108982370A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 田禮喬;孫兆華
• 申請（專利權）人: 田禮喬
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/27;G01J1/42
• 代理公司: 北京兆君聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 11333
• 代理人: 劉俊玲

本發明提供一種可以用于大氣移動觀測平臺的太陽直射輻射測量系統，包括安裝底座、三軸自穩平臺，三軸自穩平臺包括陀螺儀傳感器和航向轉軸、橫滾轉軸和俯仰轉軸；俯仰轉軸固定連接單/多/高光譜輻照度輻射計、攝像頭和姿態傳感器，單/多/高光譜輻照度輻射計和攝像頭相鄰平行設置并固定連接構成視場相同的觀測組；三軸自穩平臺上還設有GPS天線和電子指南針；安裝底座內設置電路板和電源，電路板用于控制三個轉軸的運動以及接收、存儲和處理數據；電源用于向三軸自穩平臺上的所有傳感器、GPS天線、電子指南針及電路板供電。本發明的測量系統能有效的實現車載、船載、機載的動態實時走航式自動測量，為大氣測量提供了一種新的自動化測量方法。

技術領域

本發明涉及一種能反演大氣成分參數的單波長/多/高光譜太陽直射輻射測量設備及方法。

背景技術

隨著現代化發展，人類活動造成的化石燃料燃燒、工業排放、土地類型改變使全球大氣產生了巨大變化。科學家和各國政府對大氣環境日益關注，尤其是大氣中的各種組成成分，不僅影響區域的空氣質量，而且對氣候變化產生不可估量的影響[2015，張興贏]。獲得長期穩定的大氣成分數據對監測大氣環境、預測環境變化至關重要。當前大氣研究主要是對氣溶膠、水汽、臭氧、CO₂、SO₂、NO等組成成分的觀測，通過研究各組成成分觀測數據來分析氣候、環境的變化。目前，對大氣組分的觀測手段主要有衛星和地基兩種，雖然衛星遙感具有大時空范圍覆蓋的優點，但是與地基遙感觀測相比，現有衛星遙感反演的大氣參數還較少、精度偏低[2017年，李正強]。為了分析和研究大氣組分來源、時空變化及其與氣候變化的相互影響，發展地基觀測設備是行業趨勢。利用地基測量單波長/多/高光譜太陽直射輻射可以反演氣溶膠、水汽、臭氧、CO₂、SO₂、NO等多種參數。在此以大氣氣溶膠為例展開討論。

大氣氣溶膠是指懸浮在地球大氣中沉降速度小、尺度范圍為10^-3～20μm大小的液態或固態粒子。隨著對環境污染問題研究的深入，人們已經認識到大氣氣溶膠自身的污染特性與其物理化學性質和在大氣中的非均相化學反映有著密切的關系[2000，王明星]。氣溶膠在氣候系統中起著非常重要的作用，通過散射與吸收太陽短波和地球長波輻射對氣候產生直接影響。2001年氣候變化委員會明確指出氣候變化存在兩個因素：內部因素是氣候系統本身，而外部因素為輻射強迫。正的輻射強迫是由于溫室氣體的增加導致地球表面升溫，而負的輻射強迫則是由于各種氣溶膠的增多造成地-氣系統輻射能量損失，導致地表降溫[2004，J T.Climat]。氣溶膠粒子對氣候的負輻射強迫影響可分為直接影響和間接影響。直接影響是指大氣中的氣溶膠粒子吸收和散射太陽輻射和地球長波輻射，從而影響地-氣輻射收支。間接影響是指氣溶膠以云凝結核的形式改變云的光學特性和云的分布而間接影響氣候。這一連串的影響導致氣溶膠定量研究極為復雜,是研究氣溶膠對氣候影響的一個重要的也是極為困難的課題。定量研究氣溶膠輻射氣候效應需要系統的氣溶膠輻射特性觀測資料。目前觀測精度最高、觀測手段最多、也是氣溶膠氣候效應中最為重要的光學特性是氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Thickness,AOT)，AOT描述了氣溶膠對光的衰減作用，是氣溶膠消光系數在垂直方向上的積分。

大氣氣溶膠光學厚度的測量可反映氣溶膠粒子對太陽輻射的消光作用。世界氣象組織的全球大氣觀測網(WMO-GAW)將大氣氣溶膠光學厚度的觀測作為基本觀測項目，目的是對全球大氣氣溶膠的變化趨勢進行長期觀測，進而研究其對全球和局地氣候變化的影響。同時氣溶膠光學厚度的地基觀測結果，也是對衛星光學遙感校準的一種重要的手段。WMO-GAW推薦了兩種通過直接測量太陽分光輻射求出氣溶膠光學厚度的方法，一種方法是采用一組短波截止濾光片和直接日射表相配合進行測量，另外一種是使用太陽光度計的測量方法，也就是測量太陽入射輻射光譜進行推導計算的方法。